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汽车发动机配气机构的组成与作用(发动机配气机构的作用)

在很多车辆参数说明书上,总会看到一组说明会跟随在引擎形式一栏下方,一般都会写着“SOHC”或者“DOHC”,但很多厂商会刻意突出在这个机构上应用的技术,例如VVT可变气门正时系统、或者VVL可变气门升程系统等.....当然,更多的人选择草草略过,或者下面继续所罗列的“最大马力”或者“最大扭力”、甚至工信部油耗参数才是他们最关心的。那么,到底SOHC或者DOHC这类术语对于一台汽车发动机有什么用呢?那或者今天咱们就来聊这个“配气机构”的发展历程吧。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:这就是基本的配气机构组成,一台发动机是否能正常运转的核心组件之一,没有空气和燃油混合后的“小炸弹”去推动活塞,就不是内燃机了。

配气机构,英文是Valvetrain,其作用就是在四冲程发动机中,用于控制进气门和排气门何时打开或者关闭的机构,进气门(Intake Valves)的作用是让新鲜空气或者燃油混合气进入气缸内,而排气门(Exhaust Valves)负责让燃烧后的废气流入后面的排气系统或者驱动涡轮扇叶。所以,整套配气机构主要包括:凸轮轴(Camshaft)、推杆(Pushrod)、顶杆(Tappet)、摇臂(Rocker Arm)、气门弹簧(Valve Spring)、气门(Valves)这些主要部件组成,而刚才提到的例如VVT或者VVL这类设备则属于凸轮轴的附加功能配置,所以它们也属于配气机构范围内。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:凸轮及其承载杆件凸轮轴是内燃机自诞生以来便一直负责着气门的开启,早期有部分车型只有排气门,进气则通过排气门进入的结构称为IOE结构,同样需要凸轮控制气门启闭,除非更原始的进气靠吸、气缸底部放置排气门的引擎才不要凸轮,但那些是少数派,不在讨论之列。四冲程引擎中,凸轮轴的转速为曲轴的1/2。

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图:推杆,民间又称为“筷子”,这种推杆见于OHV引擎内,位于中缸内的凸轮轴推动顶杆,打开缸盖上的进气或排气门。俗称的筷子引擎中的筷子就是这根东西。

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图:顶置凸轮轴配气机构专用的斗式顶杆(Bucket Tappet),用于检查和调整气门间隙,1919年由瑞士发明家Ernest Henry(欧内斯特.亨利)研发成功,此君也是全球第一台DOHC四气门发动机的研发者(标致L76赛车引擎和500 Sport摩托赛车);1930年后,美国又推出了带液间隙补偿功能的液压顶杆(Hydraulic Tappets),并一直沿用至今。

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图:摇臂,如果说成杠杆会更容易理解,凸轮轴推动摇臂一侧,驱动另一侧的气门活动的机构,常见于OHV或者SOHC引擎,而DOHC除非有可变气门升程机构的需要,其他的基本都是直接推动或者加入液压补偿垫由凸轮直接驱动气门。

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图:气门弹簧,用于气门复位,目前普遍见于各种OHV、SOHC和DOHC引擎上,但如果是更高科技的赛车,1990年已经开始陆续使用气压弹簧和液压弹簧,最新的科技还有电磁阀驱动弹簧等。但比螺旋弹簧更早的则使用弹簧片或者直接机械驱动气门复位(Desmodromic Valve)的结构。

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图:这种就是Desmodromic Valve形式,诞生于1896年,1910年应用在船用发动机上,其诞生的原因就是因为当时的弹簧制作工艺不佳,到了1950年代,气门弹簧依然不能有效控制8000转以上的转速,而这种机械控制形式便可解决问题,曾经被Delage赛车、Mercedes的一级方程式赛车W196、杜卡迪摩托车、玛莎拉蒂的四缸引擎等使用过。

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图:同一台引擎内,一般会有两种尺寸的气门,较大的是进气门,较小的是排气门,造成这个分别的主要原因是各自流经的气体的流速不同:进气靠真空吸力或者靠增压器提供那0.几到2.0 Bar左右的压力,进气门大一些才能进入更多混合气;而排气门通过的则是燃烧后高温高压的气体,接近音速地往外跑,两者的区别就此造成。

关于配气机构如何工作、原理性的文章,无论大学的教科书还是各种网上的科普文章比比皆是,尤其是近二三十年里,绝大部分的欧日汽车品牌都转转向了顶置凸轮轴结构的,所以既然咱们是以“汽车文化”为写作核心思路的话,那么就说说配气机构的发展史吧,也好让各位知道汽车发动机的配气机构的发展历程,每一次的技术革新后给人们用车带来的愉悦,都不是理所当然,当中的技术发展充满了艰辛。

如果按照发展过程中,曾经过的配气机构形式有很多,但通过实际使用后便被慢慢淘汰,例如气缸底部安放排气门、IOE(Inlet Over Exhaust)等都被历史淘汰了,所以,咱们就略过好了。

汽车发动机从诞生至今,配气机构主要经历三大阶段,最早普及和普遍的配气机构名叫侧阀式(SideValve),简称为SV引擎,一边进气一边排气的形式也被称为平头式引擎(Flathead Engine),从1890年左右开始出现,并在汽油四冲程发动机开始走向能实用化阶段,这种发动机最大特色是:如果你揭开它的缸盖,会发现它有三个圆圈,中间最大的是活塞,旁边两个小的则是进气门和排气门,而这两个气门由位于曲轴旁边的凸轮轴直接驱动的,而缸盖上只有一个安装活塞的开孔,所以它的缸盖结构很简单,只需要拆下缸盖便可进行清洁、维修和调整,所以在军事和工业上的应用时间较长。

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图:这就是较为经典的侧阀式配气机构的剖视图,凸轮轴位于曲轴箱内,气门则穿过缸体,气门通过空气或者水道进行冷却,空气和废气从气缸体一侧或者两侧流入流出,而它的缸盖部分则非常简单,除了放置火花塞外便没有其他设备。

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图:这就是典型的风冷式侧阀引擎,最大的银色物体是活塞,两个较小的原型物体则是进气门和排气门。

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图:所谓的IOE引擎,可以从这个剖视图中理解到它的工作原理,也就是进气门和排气门在同一条通道上,排气靠曲轴带动的齿轮和摇臂打开进行排气,而进气则完全是靠气缸内的真空吸入(进气门被拉开)。

侧阀式引擎因为结构简单、便于维护等优势,在相当长一段时间里都是主流配置,尤其是摩托车领域,汽车领域则如福特T型车和A型车、劳斯莱斯、卡迪拉克、甚至三十年代的飞机引擎等等,直到第二次世界大战的各国军用摩托车,大多都仍在使用侧阀式引擎。不过侧阀式配气机构的缺点也是明显的,例如容积效率低、容易过热产生爆震、如果需要依靠提高转速来获得更大动力输出的设计就不能适用了。侧阀式配气机构到了上世纪70年代已基本退出历史舞台。

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图:通过图片介绍一种更为独特的配气机构,这就是气缸阀引擎(Sleeve Valve),又名骑士引擎(Knight sleeve-valve engine)因为其发明者名叫Charles Yale Knight(查尔斯.耶鲁.奈特)而得名,1903年开始研发,1908年获得英国专利。原理并不难理解,就是在气缸上开设进气门和排气门,这种设计后来被当时大部分的豪华车所采用,例如丹拿、Mercedes、潘哈德、标致等,虽然油耗高,但安静、耐用、维护相对简单。此设计在第二次世界大战前已基本消失。

取代Sidevalve和Sleeve Valve配气形式的是名为Overhead Valve的配气形式,也就是常说的OHV引擎了。在OHV出现之前,相当部分的汽车发动机都只控制排气门,例如刚才介绍的侧阀式结构中,只有排气门是可控的,而进气则依靠气缸的真空状态拉开进气门进行吸气程序,但随着对进气要求越来越高,1898年,由美国自行车制造商Walter Lorenzo Marr制造出第一台单缸OHV引擎;1899年,由法国车厂Buchet研发出顶置气门缸盖结构并获得专利,并于20世纪初投产。后来,美国的Marr先生又将他的OHV技术带到了Buick别克汽车,经过厂商的完善,1904年,别克获得了OHV顶置气门发动机的专利,同年,第一台量产OHV双缸发动机使用在Buick B型车上。但因为OHV的结构比SV形式要复杂得多,早年的OHV引擎也存在着可维护性差、噪音大、使用较为复杂等各种问题而未能得到广泛使用,直到二战结束后的40年代末、50年代初,才开始陆续接替侧阀式配气结构。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:因为OHC结构出现于1904年,比OHV的正式成型还要早,所以便可以得出“OHV其实就是介乎于SV侧阀式和OHC顶置凸轮形式之间的一种结构。”

OHV配气机构的出现,对于汽车科技进步最大的贡献是为不同形状的燃烧室研究提供了便利条件,由此也增加了进气道和排气道的空气动力学设计研究,令汽车发动机或内燃机的性能得到了大幅提高,所以在与SV并行的几十年里,OHV一直是赛车引擎和飞机发动机的首选结构形式,而相对于同时代出现的OHC顶置凸轮轴配气结构,OHV的缺点也是明显的,那就是整个机构的惯性较大,运动部件多、重量也更大些,所以很容易便达到转速上限。

不过,在OHV的发展中,也曾经出现与OHC混合结构的配气设计,名叫CIH(Camshaft in Head),也成为无缸盖结构,大致原理就是将原本在曲轴边上的凸轮往上移动至发动机气缸高度,但这里依然还是中缸的一部分,从这里直接驱动摇臂来控制气门的形式,而OHC传统上位于缸盖的进排气道变成了中缸的功能。这台发动机由通用在底特律的研发中心研究,后交给欧宝进行实用化,并于1965年推出,一直使用到1995年停产并退出历史舞台。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:欧宝的CIH引擎虽然名义上是整合了OHV和OHC结构的混合体,但效果并不理想,发动机很容易过热。

最后登场的是OHC(Overhead Camshaft)顶置凸轮轴形式,它跟SV和OHV最大分别就是将凸轮轴从引擎的中缸内搬到了缸盖燃烧室的上方,这也让气门机构的惯性更小,高转速时气门浮动现象的发生。第一款使用单顶置凸轮轴(SOHC)配气机构的汽车发动机出现在1902年、由英国Maudslay(莫兹利汽车公司)的工程师Alexander Craig(亚历山大·克雷格)设计的三缸引擎,而且还拥有机油泵为凸轮轴提供润滑和冷却,1903年在三缸基础上有发展出顶置凸轮轴的六缸引擎,排气量高达9.6L。Maudslay主要以卡车和大巴作为主要产品,轿车则很少,后来被AEC收购,再后来被并入美国Meritor汽车零配件公司名下。

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图:Maudslay的特色就是酒桶型的引擎舱,从1902年首辆车型开始便采用这种设计。

而首个采用DOHC配气机构的发动机出现于1912年,由标致的L76赛车的7.6L直列四缸发动机上首次使用,不过它的气门并不是由弹簧控制,而是由刚才上文提到的Desmodromic机构对每缸4个气门进行控制,2200转时可发出148匹马力,最高时速190 kph,同时也让它成为第一次世界大战前最为成功的赛车型号。之后的Mercedes和Alfa Romeo也随之跟进推出SOHC或者DOHC的赛车,而真正将OHC配气机构投入到民用量产的车厂则来自意大利,Isotta Fraschini汽车公司在1910年推出了名为Tipo KM的豪华车上,便装备一台排气量达到10.6公升的直列四缸引擎,最大马力120匹/1600转,极速130 kph。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:1912年的标致L76格兰披治赛车。

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图:这台就是人类第一台DOHC引擎,由瑞士发明家Ernest Henry(欧内斯特.亨利)设计,所以又被称为“Henry Engine”(亨利引擎),排气量7.6L,最大马力148匹,令搭载它的标致L76成为1912-1916年间最成功的格兰披治级别赛车(即今天F1的前身)。

因为在早年的工业制造和材料研发等基础学科方面水平不高,所以对于高精度要求的OHC机构的应用非常狭窄,大部分的应用场景均是那些较为高端的赛车、豪华车车型,而且绝大部分的都是每个气缸两个气门的形式,直到上世纪的50年代,在普通民用车上开始得到广泛使用,例如Alfa Romeo在量产车上引入了链条传动技术的DOHC机构、Mercedes则在M180引擎上使用链条配摇臂的控制方式,民用车上首个采用正时皮带的则是德国的Hans Glas公司推出的S1004上的992cc发动机,该公司1966年11月10日被BMW收购。

民用引擎首个使用DOHC 16气门技术的则是1970年研发成功的莲花907引擎,不过当时莲花自己没有车可以安装使用,便交给了Jensen-Healey先行使用,到了1975年推出第一代Esprit S1时才算正式成自家出品。

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图:M180系列引擎是Mercedes在1951年4月在法兰克福车展上发布的逆流式(进气排气在同一侧的缸盖上)引擎,排气量从2.2~2.8L不等,它首次应用上了链条传动的SOHC配气机构。

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图:Glas S1004引擎于1962年8月推出,使用这台排气量为992cc的直列四缸SOHC引擎首次采用了正时皮带驱动顶置凸轮轴,最大扭力69牛米/2500转、最大马力42匹/4800转,当年售价仅为5595马克,非常入门的一款小轿车。

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图:全球第一款量产的DOHC多气门引擎是莲花的907,虽然标致的L76等赛车早已应用,但真正投入的民用量产的则是有莲花推行。

几种主流和几种非主流的配气机构的发展史大概就介绍到这里了,但最后必须补充的是,以内燃机基本机构的研发工作并没有因为电动车的兴起而停止,随着机械控制技术的进步,“无凸轮轴活塞发动机”(Camless Engine)也一直在研发之中,当中就包括了莲花、福特、雷诺、菲亚特、宝马、通用、柯尼塞格、国内的观致汽车等都相关的成品,例如2016年观致汽车便推出过Qamfree技术,没有了累赘的传动机构负担,引擎尺寸更小、重量更轻,动力提高了30%等等。

汽车发动机配气机构的组成与作用

图:FreeValve公司推出的电磁阀驱动气门组件,观致上同样使用该公司的技术推出了1.6T引擎,而柯尼塞格的Gemera四座位轿车用的也是相同的技术。一个电磁阀及控制系统便可实现过去我亚搏体育苹果app下载们都奉之为神物的VTEC或者Valvetronic等气门升程技术,也能实现更大范围的VVT可变气门正时控制,可以说,它将会是未来内燃机最有可能取代SOHC、DOHC、OHV等配气机构的终极形态。

汽车发动机的配气机构已经发展了一百多年,但到了近二十年才进入汽车社会的中国汽车消费者,真正会去注意配气机构、或者能认知到配气机构其实对于一台发动机的影响有多大?或者在这个能将电机功率推论内燃机动力的自媒体时代里,配气机构?别感到太陌生就行了吧!

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